北京市水资源人口承载力的动态模拟与分析

摘要 水资源是一个城市人口发展和经济社会发展最重要的不可或缺的资源,而且是难以在短期内改变的资源,因此常常成为决定一个地区或者城市承载力的最“短板因素”而受到极大重视。北京市作为北方干旱缺水城市,随着人口的增长和社会经济的发展,水资源紧张的问题日益显得突出。本文选择系统动力学方法对首都北京的水资源人口承载力进行了定量的动态的分析。模型中考虑了地表水、地下水、再生水以及南水北调水量等供水因素,同时考虑了工农业发展用水、生态用水和生活用水量的变动及其用水结构等变量以及它们的变化核相互作用对人口承载力的影响,并对上述因素未来的各种变化进行了模拟仿真。结果显示,如果按照目前的供水和用水标准以及用水结构,北京市水资源承载力将会随着时间推移而出现下降;南水北调水量的进入虽然能够缓解水资源承载压力,并较大幅度提高北京市人口承载力,但是随着人口规模扩张和工农业生产的发展,北京市的水资源人口承载力会再次出现下降,因此南水北调不能从根本上解决人口承载压力过大的问题。而提高水的综合利用率和改善用水结构将对北京市人口承载力的提高具有重大意义。

关键词 北京;水资源;人口承载力

中图分类号 F062.2 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2010)09-0042-06 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2010.09.008

水资源是一个城市人口发展和经济社会发展最重要的不可或缺的资源,而且是难以在短期内增加的资源,因此常常成为决定一个地区或者城市承载力的最“短板因素”而受到极大重视。北京是一个处在我国北方地区的典型缺水城市,随着人口的增长和社会经济的发展,水资源紧张的问题显得日益突出。如何协调人口发展与水资源、环境之间的关系,促进人口、资源、环境和经济健康持续发展,成为摆在人们面前的重大问题。水资源人口承载力的研究可以为此提供有益的参考。

不少学者也曾对北京市的水资源承载力做过研究[1-7]。然而因为所用的方法和采用的指标等不同,因此得到的人口承载力结果相差很大,最大可以达到30倍。而且很多学者的研究,基本上都是一种静态的分析模式。为了能够了解水资源人口承载力变动的内在机制,承载力与其制约因素之间的相互关系,并最终模拟和考察不同参数变化情况下水资源人口承载力的动态变化,从而为政策调控提供参考依据,本文选择系统动力学方法对首都北京的水资源人口承载力进行了定量的动态的分析。

1 方法及原理

系统动力学(System Dynamics)是一种以系统论、信息反馈控制理论为基础,以计算机仿真技术为手段,研究复杂社会经济系统的定量方法。该方法是上个世纪50年代由美国麻省理工学院的J。福瑞斯特教授发明的,最初应用于工业经济中,后来被广泛用于社会、经济和资源环境等多个领域。

其基本原理是:首先,将所研究的具体对象和涉及到的主要因素划归到一个系统中,区分出系统的边界。然后,用正反馈(即一个因素的变化引起另一个因素同方向的变化,例如都增加或者都减少)和负反馈(一个因素的变化引起另一个因素反方向的变化)的分析方式,分析这个系统内不同因素之间存在的因果关系,这样可以将系统内各个因素之间以直接或者间接的关系全部联系起来,形成有多个反馈关系或正负反馈环联系起来的分析系统。再次,分辨系统要素中的主要变量类型,以最基本的状态变量(该变量的任何一时点的值,都等于其上一个时点的值与两个时点之间的变化量)为基础,写出各因素之间的定量方程,并以特定的DYNAMO语言写入计算机,实现计算机的仿真输出。最后,在给定不同的参数条件下,系统将会给出各种可能的系统个变量输出结果,依此可以观察各种方案设置下的系统运算结果,并进行政策性分析。

系统动力学模型本质上是带时滞的微分方程组,能方便地处理非线性和时变现象,并能做长期、动态、战略性的仿真分析与研究。这一研究方法较适用于分析研究系统的结构与动态行为,尤其适合于研究复杂、动态的系统问题,特别是对系统行为进行模拟,可以得到各种不同前提假设下的系统运行的结果,为决策者提供直观的决策后果,被称为社会经济学研究的实验室。

2 首都水资源人口承载力的模型构建

2.1 模型因果关系及分析

本文考虑的北京市水资源人口承载力,包括从总水量和从生活供水两个方面计算的水资源人口承载力。总供水量涉及地表水开发,地下水开采、外调水量以及再生水利用等,生活供水主要由总供水,以及工业用水、农业用水和未来的生态用水决定。工业用水和农业用水都分别与各自的经济发展规模以及单位产值的用水效率有关。再生水由污水排放及其处理率,以及再生水利用率决定。污水排放则与工业发展和人口增长本身有关。按照上述分析,我们建立了系统因果关系图,可以一目了然地看到这些基本的关系(见图1)。

图1 水资源人口承载力的系统内在关系图

Fig.1 Interaction between factors in the dynamic system of

population carrying capacity

童玉芬:北京市水资源人口承载力的动态模拟与分析

中国人口•资源与环境 2010年 第9期2.2 系统的流程图

在上述的因果关系图基础上,我们分辨出工业产值、农业产值、户籍人口、外来人口、地表水供给量、地下水开采量等几个变量为状态变量。其他因素则基本上是一些

图2 北京市水资源承载力的系统流程图

Fig.2 Flow chart of population carrying capacity of Beijing辅变量或常量。按照各因素之间的内在关系,建立系统流程图见图2。

图中,方框中的是水平变量(状态变量),它们是随着时间变化逐年累积的变量,其他变量是辅助变量或者常量。应用系统动力学专用的VENSIM软件,可以方便的写出图2中各类变量以及不同因素之间的定量关系式。然后给出相应的参数和初始值,就可以进行动态的模拟。

3 首都水资源开发利用状况及潜力分析

3.1 水资源量及其开发潜力

如前所述,北京市本地水资源总量少,仅仅依靠本地水资源完全不能满足人口和社会经济发展的需要。境内多年平均降水595 mm,年均降水总量99.96亿m3,形成地表径流21.98亿m3,地下水资源27.09亿m3,扣除地表水地下水重复计算量9.08亿m3,当地自产天然水资源总量为39.99亿m3。受水气补充条件和地理位置、地形等条件的影响,境内降水具有时空分布不均、丰枯交替发生等特点。丰枯连续出现的时间一般为2-3年,最长连丰年可达6年,连枯年可达9年,历史记载最长枯水期为20年。1999年以后,北京连续9年严重干旱。根据北京市水资源公报,2007年北京市的地表水资源量为7.6亿m3,地下水资源量为18.2亿m3。而据统计资料,在丰水年时,北京市的地表水资源量曾经达到20亿m3以上。

根据相关的研究,以及历年的水资源统计数据,北京市在不同水平年的地表水资源量有很大差异。水资源量在平水年(保证率50%)偏枯年(75%)和枯水年(95%)情况下,很不一样,不同的情况下,可开发利用的地表水资源从而总的供水量将会出现很大的不同。参考相关文献[2-4]的分析,并结合《北京市“十一五”水资源利用规划》、北京市2005、2006年水资源公报等资料计算,得到北京市在不同情况下的地表和地下水资源可利用潜力的值如下(见表1):其中在平水年,北京市本地水资源最大可开发利用43亿m3,偏枯水年36亿m3,枯水年只有29亿m3。

表1 不同水资源保证率的可利用量水资源估计(亿m3)

Tab.1 Available water resource under different guarantee rate

项目Item水资源保证率GuaranteeRate平水年(50%)

Normal year偏枯年(75%)

Drier year枯水年(90%)

Dry year(90%)可利用水量433629地表水20136地下水2323233.2 北京市的供水量

北京市的供水基本分为四个来源:即本地地表水、本地地下水开采,跨流域调水以及再生水的利用。地表供水绝对量和比重近年来逐年减少,地下水严重超采,外流域调水和再生水在供水中的份额逐步增大。

表15是2000年以来北京市的供水情况。可以看到,北京市的供水中,以地下水开采量为主,2007年达到24.1亿m3,占总供水量的69.25%,地表水供水量逐年减少,从2002年的9.65亿m3减少到2007年的5.7亿m3,比重则从27.87%减少到16.38%。其他供水比重逐年增大,这里包括了再生水的利用以及跨流域应急调水。

为了弥补供水不足的压力,北京市计划通过南水北调解决北京市的严重供水不足问题。计划在到2010年将引进汉江水10亿m3,2020年引进14亿m3。这将在很大程度上缓解北京市的用水问题,但是难以从根本上改变,而且带来了城市发展的水资源安全隐患。

表2 2002年以来北京市的供水情况 (亿m3)

Tab.2 Water supply of Beijing since 2002

年份

Year供水总量

Total water

supply地表水供水

Surface water地下水供水

groundwater其他供水

others200138.911.727.20.0 200234.62 9.65 24.24 0.73 200335.00 8.33 25.42 1.25 200434.55 5.7126.792.04 200534.50 7.00 24.90 2.60 200634.30 6.35 24.34 3.60 200734.85.724.15.0资料来源:北京市统计网,《北京市统计年鉴2008》

3.3 北京市的用水状况与结构

据北京市水资源公报,北京市每年的用水量从2002年以来一直维持在34亿-35亿m3之间,2007年为34.8亿m3。在各种用水类型中,农业用水在2001年以前一直是最主要的用水大户,近年来逐年减少,2004年开始让位于生活用水排在第二位,但2007年农业用水比重依然占到35.63%。工业用水无论是绝对量还是相对量都呈现显著的下降趋势。生态环境用水量则呈现明显的上升趋势,从2000年的0.43亿m3,已经增加到2007年的2.7亿m3。特别值得注意的是,生活用水无论是绝对值还是相对量,都在上升。2007年生活用水量达到13.9亿m3,为各种用水类型中的第一位,占总用水量的3994%。

表3 北京市的用水量及用水结构(亿m3)

Tab.3 Water use and its structure in Beijing

年份

Year用水总量

Total water

use农业

Water

use for

agriculture工业用水

Water

use for

industry生活用水

Water

use for

life activity生态用水

Water use for

environment199941.7018.4510.5610.122.58200040.4016.4910.5212.960.43200138.9817.409.1812.050.30200234.6215.457.5411.030.80200335.0012.927.6513.490.95200434.5512.977.6512.911.00200534.5012.676.8013.931.10200634.3012.056.2014.431.62200734.812.45.813.92.7资料来源:北京市统计年鉴,北京市水资源公报

4 动态模拟结果及分析

4.1 方案设置

方案1:假定所有指标均保持现状,即不考虑南水北调和再生水的利用,其他方面包括供水结构、用水结构和用水效益等均保持现状不变。该方案可作为其他方案的参照方案。

方案2:增加水资源的综合可利用量,即考虑规划中的南水北调水量以及再生水利用量,其中南水北调水量:按照相关规划,2008-2010年,每年调水3亿m3,2010年至2019年,每年调水10亿m3,2020年以后,每年调水14亿m3,再生水利用:现状为亿m3,利用率为0.37,按照有关规划,2020年达到60%,水量为8亿m3。但不考虑工农业单位产值用水效率的提高。

方案3:在考虑南水北调和再生水的利用基础上,进一步提高生产用水的利用效率。具体设置为:万元工业产值用水假定2010年降为6 m3,2020年降为2.8 m3, 2005年每万元农业产值用水529 m3,假定2010年为450 m3,2020年降为360 m3。

此外,模型还做了一些基本参数设定:

(1)由于水资源的保证程度不同,不同水平年水资源的可利用量也不同。这里假定从现在到2020年北京市水资源保证达到75%的中等保证率作为所有方案的基本假定。

(2)2005年北京市人均总用水量为213 m3/人(这里按照实际用水总量计算,与模型内指标含义一致。如按照水资源计,则人均水平为171 m3/人),人均综合生活用水量现状值为85 m3/人(相当于233L/人.日)。参照联合国给定的人均水资源标准,以及国内其他城市用水标准,并参照北京市城市规划以及“十一五”水资源规划,考虑到未来可能,在前文的可能满意度之间选择了两个人均用水标准:总可利用水的人均水资源标准现状取为250 m3/人.年,到2010年取300 m3/人.年,2020年选择350 m3/人.年;人均生活用水标准现状取90 m3/人,2010年取120 m3/人.年,2020年取135 m3/人.年。因此,本模型中的人均用水标准是两条逐渐升高的曲线。

(3)模型中的其他参数,如工业、农业年增长率、户籍人口的自然增长和迁移,流动人口的年增加量等等,都根据相关规划做了合理的假定。

4.2 模拟运算结果与分析

本模型以2005年为初始年,以2020年为末年进行模拟。步长为1年。

按照总的水资源量,以及生活用水得到的未来北京市人口承载力动态变化结果如表4和图3、图4所示。

表4 不同方案下北京市水资源人口承载力(万人)

Tab.4 Population carrying capacity of beijing

under various scenarios

年份Year方案1Scenarios 1方案2Scenarios 2方案3Scenarios 3生活供水

承载力

Carrying

capacity

of water

use for

life activity总水资源承载力

Carrying

capacity

of total

water use 生活供水承载力

Carrying

capacity

of water

use for

life activity总水资源

承载力

Carrying

capacity

of total

water use生活供水

承载力

Carrying

capacity

of water

use for

life activity总水资源

承载力

Carrying

capacity

of total

water use2005944.3561 2361 274.621 380.651 274.621 380.652006876.1371 206.121 150.931 379.471 338.891 379.472007809.9641 177.14970.6091 377.541 309.041 377.542008745.7771 083.98976.6811 402.651 358.661 402.652009745.7771 025.91869.911 382.951 311.21 382.952010952.3491 090.851 302.581 620.641 769.561 620.642011944.2551 069.461 193.281 595.861 748.091 595.862012936.2981 048.91 080.71 572.131 729.151 572.132013928.4741 029.11964.4951 549.371 713.071 549.372014920.7791 010.05844.2731 527.521 700.211 527.522015913.211991.684719.6261 506.511 690.981 506.512016905.766973.975589.091 485.851 676.721 485.852017898.442956.888453.1711 465.881 665.691 465.882018891.235940.39311.3561 446.531 658.291 446.532019884.143924.451163.0891 427.731 654.961 427.732020877.163909.043296.1661 520.531 800.641 520.53

结果分析如下:

(1)在方案1的情况下,如果一切保持现状不变,无论是总水资源计算的人口承载力,还是按照生活用水计算的 人口承载力都将比现状略有减少。

我们来分析其中的原因。在方案1的情况下,因为一切维持现状,因此无论是总的水量,还是生活用水的供给量,都也将保持原状,但是我们在计算中,所假定的生活水平是上升的,因此,随着时间的推移,人口承载力出现了下降。

因此,这种状况是我们必须要避免地,即随着生活水平的提高,必须要相应地增加水资源的实际可供应量。

(2)方案2中,我们假设按照规划增加了南水北调水量,而且将再生水的利用率从现状37%提高到了60%,但假定工农业用水的效率是不变的。结果是:按照水资源的总水量计算的人口承载力相比方案结果,有了大幅度提高,从当前的1 380万人提高到2010年的1 620万人,随后出现再次减少,直到2020年时再次增加,达到1 520万人。但是按照生活用水计算的人口承载力结果却呈现快速的下降趋势,由于工农业用水量再不降低用水标准的情况下大增,因此即便总水量增加,但因为工农业占用大量的水量,因此生活用水所剩无几,可承载的人口也必然大幅下降,到2019年甚至只能承载163万人,2020年由于南水北

图3 三种方案下生活供水的人口承载力

Fig.3 Population carrying capacity of water use for life

activity under three scenarios

图4 三种方案下总水资源的人口承载力

Fig.4 Population carrying capacity of total water

use under three scenarios调增加14个亿,也才能承载296万人。

因此我们看到,依靠外援和再生水可以使得总水量的人口承载力出现显著的增加,但若不能同时提高水资源利用效率,以生活供水计算的水资源承载力却发生急剧的收缩,其承载力大大低于总水量的承载力,成为首都人口的最大限制因子,导致实际的首都人口承载力的急剧下降。

在方案3的情况下,因为同时考虑了总水量的增加和工农业用水效率的提高,总水资源承载力与方案2保持一样,可见提高水的利用效率对以水资源总量来计算的人口承载力并无影响,但是对以生活供水计算的人口承载力却有着极大影响,其人口承载力呈现了明显的改善和提高:即在2010年的小幅度提高达到1 769万人,随后出现下降,2020年再次出现提高,达到1 800万人的高值。

我们从模拟中发现,按照方案3中的工、农业产值增速,虽然农业总产值从2005年的239亿元(现价,包括农林牧副渔业) 增加到了2020年的322亿元,工业总产值从6 946亿元(现价)增加到 22 034亿元,但是农业用水和工业用水总量却没有什么增加,基本维持现状。在这种状况下,能供给生活的用水随着总水量增加较多,因此生活供水的人口承载力也就呈现比较大的增加。

5 结 论

今后首都的水资源人口承载力将随着两次南水北调水量的增加而出现波动。在2010年南水北调10亿m3时,水资源人口何承载力将有明显的升高,但随后开始随着人均用水标准的提高而出现停滞甚至下降,到2020年调水2020年以后再次出现一个阶跃式增加。本模型只展示了到2020年这一时段的人口承载力变化,实际上2020年以后,人口承载力的增加还会再次停止甚至下降。因此我们看到,南水北调只能解决一时的问题,难以从根本上解决水资源紧张的问题。

我们计算的两个不同口径的水资源人口承载力,结果有很大不同。总的供水量决定的人口承载力,在未厉行节约用水的情况下大于生活用水的承载力,这时生活用水承载力将成为最短板的制约因素,而且情况非常糟糕。在大力提高生产用水效率的情况下,生活用水的制约会大幅减弱,其人口承载力会大幅度提高,并超过总水量的人口承载力,但总水量的人口承载力并不受此影响而出现增加,从而成为最短板的制约因素。

按照到2020年保持偏枯水年的假设,同时按照本模型选择的人均水资源和人均生活用水逐步提高的标准,则在北京市进行南水北调和提高再生水的利用,同时进一步降低工农业生产耗水的情况下,北京市水资源总量在2010年可以承载1 620万人,2020年只能承载1 520万人;按照生活用水计算的水资源承载力将略高于总水资源承载力,2010年为1 769万人,2020年可以承载 1 800万人。

无论从现状,还是到2020年,北京市的人口水资源承载力都不高,人口对水资源的承载压力是十分巨大的。因此,适当控制人口增长,采用水资源集约型的经济增长方式和结构,大力推行节约用水,都是十分必要的。

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Dynamic Simulation and Analysis to Population Carrying Capacity of Beijing

TONG Yufen

(Capital University of Economics and Business, Beijing100070,China)

Abstract Water resource is a kind of the most important and necessary one for the development of population and economy of any city, and it is very difficult for its amount to be changed in a short time. So it was often seen as a “the shortest piece of a wood barrel” inresearch of population carrying capacity. Beijing, as a city in shortage of water resource, is confronted with the serious contradiction between rapid population growth, economic development and water shortage. This paper analyzed the population carrying capacity in future with system dynamics method. Some supplying factors such as surface water, groundwater, regeneratedwater and the water from southtonorth water diversion and some water using factors such as industrial and agricultural water use,ecological water use and domestic water use,as well as the impacts of those factors on the carrying capacity and their interactions were considered in the model. The various change trends of those factors in the future were simulated. The results showed: first, the carrying capacity of Beijing would decline if current water supply and use standard and structure were unchangeable. Second, the water from southtonorth water diversion could increase the capacity, but it could only resolved the problem temporarily. Third, to change the structure of water use and raise the efficiency of water use simultaneously would have a very important effects for raising the population carrying capacity of Beijing.

Key words Beijing; water resource; population carring capacity